附录A 通风计算

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铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范 TB10020-2017

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A.0.1 单通道简算法计算应包括以下内容：

1 需风量计算。

2 自然风力、通风阻力计算。

3 射流风机应提供的通风压力计算。

4 射流风机选型、射流风机台数计算。

5 射流风机压力应按下式计算：

式中 P_j——射流风机压力（Pa）；

P_n——两洞口间自然风压力（Pa）；

P_λ——沿程阻力（Pa）；

P_ζ——局部阻力（Pa）。

A.0.2 多通道网络通风计算应包括以下内容：

1 绘制通风网络图。

2 生成基本关联矩阵并计算独立回路矩阵。

3 根据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律建立隧道通风网络的基本数学模型。

4 求解隧道通风网络的基本数学模型，得到各分支风量、风压。

A.0.3 烟气生成量计算应符合下列规定：

1 羽流质量流率可按下式计算：

式中 m_p——羽流质量流率（kg／s）；

Z₁——火焰极限高度（m）；

Z——燃料面到烟层底部的高度（m）；

Q_c——火源的对流热释放速率（kW），Q_c≈0.7Q（Q为火源功率）。

2 羽流的平均温度应按下式计算：

式中 C_p——空气的定压比热容，取1.012kJ／（kg·K）；

T₀——环境的绝对温度（K）；

T——羽流的平均温度（K）。

3 烟气生成量应按下式计算：

式中 ρ₀——环境温度下气体的密度（kg／m3）；

V——烟气生成量（m3／s）。

A.0.4 隧道内紧急救援站半横向式通风中排烟机所需全压应按下式计算：

式中 P_F——排烟机所需全压（Pa）；

ζ_i——第i个形状损失系数；

ρ——通风计算点的空气密度（kg／m³）；

λ_i——第i段的沿程摩阻损失系数；

υ_i——第i段的风速（m／s）；

L_i——第i段的长度（m）；

d_i——第i段的当量直径（m），

；

A_i——第i段的断面面积（㎡）；

U_i——第i段的断面周长（m）；

m——风道形状变化个数；

n——连接风道段数。

A.0.5 火风压可按下式计算：

式中 △P_f——火风压值（N／㎡）；

g——重力加速度，9.8m／s²；

ΔH_f——高温气体流经隧道的高程差（m）；

T＊——高温气体流经隧道内火灾后空气的平均绝对温度（K）;

x——沿烟流方向计算烟流温升点到火源点的距离（m）；

ΔT_x——沿烟流方向距火源点距离为x（m）处的气温增量（K）;

ΔT₀——发生火灾前后火源点的气温增量（K）；

G——沿烟流方向x（m）处的火烟的质量流量（kg／s）；

c——系数，

；

C_r——隧道断面周长（m）；

k——岩石导热系数，

，k＇值为5～10，υ₁为烟流速度（m／s）。

A.0.6 自然风压力、沿程阻力、局部阻力、风机压力应按照现行《铁路隧道运营通风设计规范》TB10068的规定计算。

条文说明

A.0.1 简算法是根据隧道的需风量及压力平衡方程确定通风机功率的计算方法，计算简便，适用于单通道隧道的通风计算。

以紧急出口通风计算为例简要说明其计算流程及步骤。

（1）已知资料：某单洞隧道长12km，断面积为87㎡，断面当量直径为9.21m，在其洞身中部利用辅助坑道（横洞）设置一处紧急出口，其基本参数见说明表A.0.1。

（2）需风量计算见式（说明A.0.1-1）：

需要风速见式（说明A.0.1-2）：

（3）自然风压与阻力计算：

自然风压力见式（说明A.0.1-3）：

沿程阻力和局部阻力见式（说明A.0.1-4）：

对于主洞中的沿程阻力及局部阻力，因为紧急出口位于洞身中部，则主洞两侧风量均为4.5÷2＝2.25（m³／s），风速为2.25÷87＝0.026（m／s）。由于风速很小，对风机配置台数没有影响，故忽略主洞中的阻力。

（4）风机计算。

拟选用φ630型射流风机，出口风速υ_j为34.7m／s，风机功率15kW，出口面积f为0.312㎡，断面风速υ_e为0.114m／s，安装损失系数K_i为1.162。

单台风机压力见式（说明A.0.1-5）：

需要风机台数见式（说明A.0.1-6）：

需用1台射流风机，功率15kW。

A.0.2 隧道内发生火灾，在隧道紧急救援站实施救援时，横通道防护门开启，火灾隧道与安全隧道或辅助坑道连通形成复杂的通风网络，此时，简算法已不适用，需要通过网络法进行防灾通风计算。

（1）将主隧道与辅助坑道（横通道、斜井、竖井等）所形成的多进口、多出口的复杂通风体系，抽象成为由节点和分支构成的通风网络，赋予每个分支相应的通风阻力和通风动力。

（2）通风网络的关联矩阵B_k是描述通风网络节点之间连接情况的矩阵，基本关联矩阵可以唯一确定网络的连接关系。独立回路矩阵C_k是反应通风网络中的独立回路结构的矩阵。在得到隧道通风网络的最小树和余树弦以后，将通风网络各分支按余树弦在前、树枝在后的次序排列，调整基本关联矩阵的顺序，则基本关联矩阵B_k可变为式（说明A.0.2-1）：

其中，B₁₁是隧道通风网络中余树弦分支所对应的基本关联矩阵中的项，B₁₂是最小树所对应的基本关联矩阵中的项。由基本关联矩阵B_k，可以算出独立回路矩阵C_k，即式（说明A.0.2-2）：

（3）由风量平衡定律可知，流进某节点的风量等于流出该节点的风量，即：ΣQ_j＝0。用基本关联矩阵来表示为式（说明A.0.2-3）：

式中 B_ij——关联矩阵中第i行第j列的元素值；

Q_j——第j分支通过的风量（m³／s）。

由风压平衡定律可知，风网中任一回路或网孔的风压代数和等于零，即：ΣΔp；＝0。用回路矩阵来表示为式（说明A.0.2-4）：

式中 C_ij——回路矩阵中第i行第j列的元素值；

h_j——第j分支的通风阻力（Pa）；

P_j——第j分支的压力，包括自然风压、风机风压、火风压等（Pa）。
由风量平衡定律和风压平衡定律以及风量与风压的阻力定律组成了隧道通风网络非线性方程组，见式（说明A.0.2-5）：

式中 h_j——隧道风路上的通风阻力（Pa）；

R_j——隧道风路上的风阻系数（kg／m⁷）；

Q_j——通过隧道风路的风量（m³／s）。

（4）利用回路风量法进行非线性方程组求解，最终获得隧道通风网络的各分支风量和风压结果。由于通风网络较复杂可采用电算法进行求解或使用SES、IDA等专业软件进行网络通风计算。下面举例简要说明其计算流程及步骤。

（5）已知资料：

某隧道长20km，断面面积56.7㎡，周长29.7m，为双洞单线隧道，线间距60m，火灾规模20MW，隧道内10km处设置紧急救援站，紧急救援站每隔50m设置一个横通道，着火车厢位于左线隧道中间位置，横通道净空6m×4.35m，共设置11个，防护门规格1.7m×2m。

①绘制通风网络图。根据已知条件绘制的通风网络图如说明图A.0.2所示。

②将各段隧道风阻、自然风压、火风压、断面面积、周长、长度、坡度等参数赋予对应网络分支，建立通风网络模型。

③试算不同风机布置直到满足防灾通风控制标准。

拟选用φ100型射流风机，出口风速为34.2m／s，出口风量26.9m³／s，风机功率30kW。经试算，当安全隧道洞口各设置4台射流风机时，计算结果见说明表A.0.2。

23号至32号分支表示隧道内紧急救援站横通道，其风量最小为7.6m³／s，最大为23.5m³／s，防护门面积为3.4㎡，因此防护门处风速均不小于2m／s且不大于8m／s，满足防灾通风要求。

A.0.3～A.0.4 参考《Handbook of Fire Protection Engineering》，轴对称型烟缕如说明图A.0.3所示。

隧道内紧急救援站半横向式通风中排烟机风机设计仅考虑克服风道内阻力，不考虑主隧道内阻力，排烟风机功率计算举例如下。

（1）已知资料

某隧道火灾规模20MW，列车高度4m，隧道净高8.5m，断面面积56.7㎡，隧道内紧急救援站每隔50m设置一个横通道，共设置11个，防护门规格1.7m×2m，拱顶处每隔100m设置一个联络通道，共设置5个，联络烟道内径4m，长度25m，排烟道长度450m，断面净空尺寸为4m×4.5m，排烟斜井2000m，断面面积50㎡，周长25m。

（2）烟气生成量计算

最小清晰高度为2m，假设燃料面为列车内人员行走面，行走面至隧道底部距离为1.3m，当所产生的烟气全部被排出时，烟气层底部即为排烟联络通道底部，此时Z即为列车内人员行走面到排烟联络通道的高度7.2m。

当隧道火灾规模为20 MW时，火焰高度Z₁的计算见式（说明A.0.3-1):